Р-40-20

Главная страница

ДИНАМИКА СТЕРЕОТИПОВ

Стереотип начинает действовать еще до того, как включается разум. Это накладывает специфический отпечаток на данные, которые воспринимаются нашими органами чувств еще до того, как эти данные достигают рассудка. Ничто так не сопротивляется образованию или критике, как стереотип, так как он накладывает свой отпечаток на фактические данные в момент их восприятия.

В определенной степени внешние стимулы, особенно сказанные или напечатанные, активизируют некоторую часть системы стереотипов, так что непосредственное впечатление и ранее сложившееся мнение появляются в сознании одновременно.

В случаях, когда опыт вступает в противоречие со стереотипом, возможен двоякий исход: если индивид уже утратил определенную гибкость или ему в силу какой-то значительной заинтересованности крайне неудобно менять свои стереотипы, он может проигнорировать это противоречие и счесть его исключением, подтверждающим правило, или найти какую-то ошибку, а затем забыть об этом событии. Но если он не утратил любопытства или способности думать, то новшество интегрируется в уже существующую картину мира и изменяет ее.

Википедия-стеротип

Зайдя в тупик в поисках причины неустойчивой работы двигателей Р-40 на топливе NNSS, пришлось пойти вопреки устоявшихся стереотипов проектирования. Первое, через чего пришлось переступить – это знание – не знание закона горения топлива. То бишь, я не знаю этого и не могу делать выводы и расчёты с этим связанные. Но как же тогда вообще можно что-то новое проектировать?

Предположим, что показатель в законе горения будет как для баллиститных топлив – 0,8. На основе этого вольнодумного предположения и практических наблюдений, я вывел простые степенные зависимости режимов работы двигателя Р-40 от всех его ключевых параметров таким образом, как это примерно на мой взгляд должно было бы быть, если и в самом деле это топливо столь чувствительно к давлению. Те графики и возможные режимы работы двигателя очень удивили. Да, я могу не знать точной цифры, да это и не нужно, так как абсолютная точность недостижима. Зато прекрасно всё сошлось в том, что двигатель не то, что обладал постоянством тяги, а даже оказался регрессивным! (Хотя у меня нет ни одного полного графика тяги двигателя) И это при степени прогрессивности заряда топлива 1,8! Средняя степень разгара критического сечения сопла только казалась небольшой. Изменение критического диаметра с 8мм до 11мм на 3мм не так уж и много и вполне допустимо для двигателей на классической карамели, но тут увы. Большинство моих двигателей даже в импульсном режиме выдавали под конец меньшую тягу и давление, чем в начале. Поэтому для получения требуемого закона работы двигателя нужно совершенно не прогораемое сопло, либо с 15% эрозией по диаметру максимум. Но от куда тогда взялось импульсное горение?

Во-вторых, я снова переступил через не проявление инициативы. Инициатива, как известно у нас, наказуема, но что  поделать, я сделал ещё одну свою теорию: «Причина затухания топливного заряда вовсе не в «уникальных» свойствах топлива, а в хаотичном обрушении элементов конструкции двигателя, что приводит к резкому прогрессивному падению давления в камере сгорания». Раз топливо это я принял чувствительным от давления, то любой кусок к-фазы корпуса, вылетевший из сопла приводит к образованию местного скачка уплотнения, за которым следует разрежение и скачкообразное падение давления в камере сгорания на некоторое значение. Температурный профиль прогретого слоя топлива не успевает подстроиться так быстро на горение при новом более низком давлении, падение давления становится прогрессивным до атмосферного и горение заряда прекращается. Это могут быть самые разнообразные по своему размеру куски несгораемого обожженного силикатного ватмана, которые сносит потоком с внутренней поверхности соплового блока. Скорость ступенчатого спада давления тем больше, чем выше давление в двигателе, при котором произошло разрушение. Поэтому двигатели, работающие относительно устойчиво, не давали большой тяги.

Фактически причина всех неудач испытаний двигателей Р-40 заключается в не стационарности скорости разрушения ТЗП соплового блока и его самого.

Вот так без всяких муторных практических изысканий, обоснований, ненужных споров, была найдена проблема. Да, это может быть большой ошибкой, но это всего лишь поиск причины, а не попытка убежать от неё, сменив топливо или весь двигатель.

Теперь подробнее. Если, обваливается кусок слоя обуглившегося силикатного ватмана (а он не горит), то он выталкивается потоком наружу, подобно артиллерийскому снаряду. Скорость его движения небольшая по сравнению с окружающим его газом. Поэтому увеличивается общая вязкость потока и нарастает давление в камере сгорания, когда это дело вылетает наружу, давление резко сбрасывается, а вот это уже очень плохо. Застрять этот кусок в сопле не сможет, так как он хрупкий и не выдержит давления напора, да и размер его может быть сопоставимым с размером критического отверстия.

В этом случае задача состоит в подборе нового материала ТЗП для дозвукового сопла двигателя и в поиске новой конструкции сопла для двигателя с минимальным разгаром.

Для нового ТЗП необходим такой материал, который имел бы стационарную или близкую к ней скорость разрушения. В результате поисков такового, было решено пока остановиться на обычной многослойной бумаге, хотя и она способна вылетать кусками, так как это сложно структурированный материал очень далёкий от изотропного. Просто потому, что быстро решить эту проблему не получится, а испытывать нужно что-то.

P-40-20

Сопло было решено делать из белой косметической глины по совету Ignis Caelum, преимущественно состоящей из чистого каолина. Сложно и памятно, что на этом топливе одно глиняное сопло уже было разрушено. Предполагаемая причина разрушения – тепловая, из-за недостаточной степени просушки (по последним данным изысканий результатов испытания двигателя Р-20-16).

Топливо

Окислитель 1

NaNO3(Нитрат натрия) – 58%

Окислитель 2

NH4NO3(Нитрат аммония) – 1%

Добавка

S(сера) – 11%

Горючее

C6H14O6(сорбит) – 30%

Плотность, г/см3

1,87

Скорость горения при атмосферном давлении, мм/с

0,28

Конструктивные параметры

Внутренний диаметр корпуса, мм

40

Средний диаметр канала, мм

16

Длина заряда без конусных частей, мм

160

Полная длина канала, мм

200

Критический диаметр сопла, мм

8

Степень расширения сопла по диаметру

(начальная ÷ конечная)

2

Расчётная нагрузка разрушения цилиндрических обечаек, кгс/см2

57

Расчётная разрывная нагрузка сегментов по оси для креплений, кгс/см2

64

Поскольку с 2001 года прошло уже 10 лет – с момента начала моего применения глиняных сопел. В 2006 году был испытан последний двигатель с глиняным соплом Р-20-16. Материалы тех технологий сохранились в неполном состоянии и в не самом презентабельном виде. Теперь придётся начинать всё заново.

Моё первое устройство для формования глиняных сопел для двигателей Р-20

001 Движок в форме

003 Формовка движка

SAM_2460

Для формования сопла теперь будет использована вот такая новая форма со съёмными профилями.

SAM_1817

Профили вставляются внутрь цилиндрического корпуса, изолированного от мокрой глины с помощью скрутки из листа тонкой офисной бумаги. Профилированная основа покрывается лаком перед использованием. Затем на неё налепляется пластелинообразная сырая глина. При этом желательно добиться наилучшего заполнения профильного пространства глиной.

SAM_1819

Далее глина прессуется, профили снимаются. Готовое сопло вынимается из корпуса и с него снимается бумага.

SAM_1820

В процессе прессования не удалось добиться сразу удачной формы, так как глина слишком не текуча, а формы оказались не очень удобны в использовании. Так же при сильном надавливании их было проблематично прокручивать, а при снятии формы сверхзвукового расширения сопла не удавалось получить ровного прямоугольного края, так как глина залипала в углу на форме и отходила вместе с ней. Пришлось в несколько заходов формования, смачивая поверхность форм водой, чтобы ослабить этот эффект и получить более менее ровный острый край обрыва сопла на выходе из сверхзвукового расширения.

SAM_1821

Попытка обойтись без разделения корпуса бумагой от профилей привела к тому, что глина высохла, растрескавшись из-за того, что прилипла к стенкам корпуса и не отлипла от них в процессе сушки.

SAM_1963

SAM_1962

Поскольку мне по счастливой случайности перепал целый квадратный метр стеклоткани, я решил попробовать использовать её вместо силикатного ватмана для материала корпуса. Её прочность на разрыв примерно в 7 раз выше, но для приемлемой жёсткости корпуса пришлось делать не один слой, а целых три. Толще делать стенку оказалось бессмысленно, так как никакого выигрыша в массовом совершенстве уже не получалось. Сопло было так же обтянуто стеклотканью. Связка для стеклоткани была на основе клея TITAN, в тонком слое с последовательной послойной технологией наложения слоёв – это не привело к появлению усадки при высыхании клея.

SAM_1840

Основой для стеклоткани были формы из однослойного ватмана и 8-мислойного ватмана в дозвуковой части. Под однослойный ватман были сконструированы специальные съёмные формы, для придания цилиндрической формы корпусным обечайкам сегментов на время высыхания клея.

SAM_1841

SAM_1843

SAM_1844

SAM_1845

SAM_1847

В целом полная масса корпуса составила примерно 65г с осевыми креплениями и эпоксидной заглушкой. Фактически ничего не удалось выиграть в массовом совершенстве по сравнению с силикатным ватманом.

SAM_1848

Воспламенительная камера в первом сегменте.

SAM_1859

Полностью собранный двигатель.

SAM_1964

SAM_1965

SAM_1966

SAM_1967

SAM_1968

SAM_1969

SAM_1970

Испытание было поздним вечером в конце осени, темнело рано и возникла неприятная ситуация  с блоком питания. За ночь села 9В батарейка, питающая управляющий контур, а выяснилось это только на месте (Причина была в случайном включении контактов, которые так и остались на всю ночь разряжать батарейку). Толи бардак, толи переезд сказался, но такая случайность в последнее время, как наваждение, мне портит уже не раз испытание двигателей.

SAM_1971

Пришлось прямо на месте пытаться запитать управляющий контур от аккумулятора из сотового телефона, но безуспешно. Пришлось пойти на риск и включить контакты на электромагнитном реле вручную через проделанную в нём дырку. Реле при этом пришло в полную негодность из-за испорченных контактов внутри, но это позволило запустить двигатель и воспользоваться его длительным временем выхода на режим, чтобы удалиться на безопасное расстояние.

SAM_2535

SAM_2536

А тем временем уже прилично стемнело.

SAM_1972

Непосильными усилиями двигатель был запущен со второй попытки.

Видео крупный план, 16,0МБ

Видео общий план, 16,6МБ

Последний график тяги моего стенда. Спад в самом конце – тепловой обжиг измерительной конструкции стенда. Он погиб, но до последнего передавал данные…

000

В результате испытания полностью разрушилось каолиновое сопло ещё на стадии воспламенения топлива. Двигатель так и не смог набрать хоть сколько-нибудь значительного давления. В целом почти всё топливо выгорело под очень низким давлением. Но не всё так просто, как казалось на первый взгляд со стеклопластиковым корпусом. В первом сегменте он прогорел, причём тупо расплавился! В первом сегменте двигателя стенка корпуса раньше всего встречается с горячими газами, и там, около заглушки, началось интенсивное термическое разрушение корпуса. Сначала образовались почернения, а потом снизу проплавилась дыра, через которую прорвались горячие газы и спалили мне стенд(((

001

002

003

004

Жалкое зрелище и столько трудов загублено, хотя давным давно пора уже заканчивать работу над основным новым тягоизмерительным стендом…

005

Момент вылета фрагментов сопла. Хорошо заметно рваное пламя.

006

Плавление стеклопластикового корпуса.

008

011

012

014

016

В довершении всего тонкостенный стеклопластиковый корпус не выдержал теплового удара и вспыхнул ярким пламенем после сгорания всего топлива.

018

Да уж, если такое произойдёт с ракетой в полёте после прохождения активного участка – это будет яркое зрелище! Оказывается, что при тех же условиях применения в тонкостенном корпусе стеклопластика вместо силикатного ватмана, стеклопластик совершенно не выдерживает теплового удара и требует массивной теплоизоляции. По всей видимости, это будет первое и последнее моё использование стеклопластика для двигателей на этом топливе. Это ведь 1700°С нужно, чтобы расплавить стеклоткань. Что-то я не припомню, чтобы расчёты в PROPEP выдавали этому топливу температуру горения в 2000K при атмосферном давлении…

При осмотре остатков сопла сразу не удалось точно установить причину его разрушения. Две основные версии: из-за давления или из-за высокой температуры.

SAM_1974

SAM_1975

От каолинового сопла осталась лишь тонкая трубочка, покрытая обгоревшей стеклотканью.

SAM_1976

SAM_1977

SAM_2514

SAM_2515

SAM_2517

SAM_2518

SAM_2519

Стеклоткань большей частью уцелела, но вся органическая связка выгорела.

SAM_2521

SAM_2523

В результате испытания двигателя Р-40-20 было потеряно основное тягоизмерительное оборудование. Электрическая система зажигания окончательно пришла в негодность. Сам двигатель почти полностью сгорел, и развалилось сопло.

Вывод:

На данный момент необходимо срочно выполнить проектные работы по созданию принципиально новой конструкции системы электрического зажигания и выполнить её в реале. Так же необходимо в кратчайшие сроки закончить работы по созданию нового тягоизмерительного стенда и утвердить в его конструкции наличие средств противопожарной защиты. Общеизвестный прочный и негорючий стеклопластиковый материал всё-таки сгорел ярким пламенем. Его применение в тонкостенных корпусах невозможно без надёжного ТЗП. Зафиксирован факт высокотемпературного теплового разрушения стекловолокна на натриевой карамели с серой. Причина неудачи с каолиновым соплом пока не установлена.